(57)【要約】【課題】フォトダイオードにおける最小の電荷蓄積時間を１Ｈ（水平周期）未満に制御することができ、かつ、良好な画像を得ることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、水平ブランキング期間において、リセットトランジスタに供給するリセットパルスと、読み出しトランジスタを動作させる読み出しパルスとが立ち上がるように制御する。また、固体撮像値は、水平ブランキング期間に続く水平有効期間において、リセットパルスが立ち下がるように制御し、更に、水平有効期間に続く次の水平ブランキング期間において、リセットパルスが立ち上がるように制御する。【選択図】図３
2007324873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換部と、複数のフローティングディフュージョン部と、複数の読み出しトランジスタと、複数のリセットトランジスタと、複数の検出トランジスタとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
垂直ブランキング期間外の水平ブランキング期間において、ある行に整列する前記リセットトランジスタの各々に供給するリセットパルスの振幅を立ち上げるステップと、
前記水平ブランキング期間内において、前記ある行に整列する前記読み出しトランジスタに供給する読み出しパルスの振幅を立ち上げるステップと、
前記水平ブランキング期間に続く水平有効期間において、前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップと、
前記水平有効期間に続く水平ブランキング期間において、前記第リセットパルスの振幅を立ち下げるステップとを備える、固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、前記読み出しパルスの立ち下げタイミングを、所望の電荷蓄積時間に応じて制御することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記固体撮像装置は、前記検出トランジスタの各々から出力される信号を受け取る水平信号線を更に含み、
前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップは、前記水平信号線に供給する水平信号線リセットパルスのレベルがハイレベルである期間に行われることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記固体撮像装置は、前記検出トランジスタから出力される信号を出力する水平信号線を更に含み、
前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、前記水平信号線に供給する水平信号線リセットパルスの立ち上がり、または、立ち下がりと同時に、前記読み出しパルスの振幅を立ち下げることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記固体撮像装置は、前記水平シフトレジスタを更に含み、
前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップは、前記水平シフトレジスタに供給される水平シフトレジスタパルスがローレベルである期間に行われることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記固体撮像装置は、水平シフトレジスタを更に含み、
前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、前記水平シフトレジスタに供給される水平シフトレジスタパルスの立ち上がり、または、立ち下がりと同時に、前記読み出しパルスの振幅を立ち下げることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、前記読み出しパルスの立ち下がり遷移期間が５ｎｓ以上となるように、前記読み出しパルスの振幅の立ち下げを制御することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
固体撮像装置であって、
入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタと、前記読み出された電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディユージョン部に読み出された電荷を検出する検出トランジスタとを含む複数の単位セルが二次元状に配列された画素アレイと、
同一行に整列する読み出しトランジスタの各々のゲートに接続される複数の読み出し信号線と、
同一行に整列するリセットトランジスタの各々のゲートに接続される複数のリセット信号線と、
前記読み出し信号線の各々に読み出しパルスを供給すると共に、前記リセット信号線の各々にリセットパルスを供給する垂直走査部とを備え、
前記垂直走査部は、
垂直ブランキング期間外の水平ブランキング期間において、ある行の前記リセット信号線に供給する前記リセットパルスと、前記ある行の前記読み出し信号線に供給する読み出しパルスとを立ち上げ、
前記水平ブランキング期間に続く水平有効期間において、前記ある行の読み出し信号線に供給する前記読み出しパルスの振幅を立ち下げ、
前記水平有効期間に続く水平ブランキング期間において、前記ある行のリセット信号線に供給する前記リセットパルスの振幅を立ち下げることを特徴とする、固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、より特定的には、光電変換によって得られた信号電荷を増幅して出力する増幅型の固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラや電子スティルカメラ等への応用に適した固体撮像装置として、ＭＯＳ型固体撮像装置の開発が各所で活発に進められている。ＭＯＳ型固体撮像装置とは、各セル毎において光電変換によって得られた信号電荷を、ＭＯＳトランジスタによって増幅して取り出す構造を有する固体撮像装置である。
【０００３】
図８は、従来の撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【０００４】
撮像装置９００は、撮像素子９０１と、タイミング信号発生回路（ＴＧ）９０２と、前置処理回路９０３と、Ａ／Ｄ変換器９０４と、撮像信号処理ユニット９０５と、バッファメモリ９０６と、映像出力部９０７と、昇圧回路９０８とを備える。
【０００５】
撮像素子９０１は、フォトダイオード等の光電変換素子を含む複数の画素が行列状に配列された画素アレイを備える。光電変換素子は、カメラレンズによって画素アレイ上に集光された光をアナログ信号である電気信号に光電変換し、これにより、カメラレンズによって結ばれた像を表す画像データが生成される。撮像素子９０１は、得られたアナログ信号を前置処理回路９０３に出力する。尚、撮像素子９０１の更なる詳細については後述する。
【０００６】
前置処理回路９０３は、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路及び非線形増幅回路等を備える。前置処理回路９０３は、撮像素子９０１から出力されたアナログ信号を受け取り、受け取ったアナログ信号に含まれる出力ノイズの低減処理と、Ａ／Ｄ変換前の増幅処理とを行った後、処理済みアナログ信号をＡ／Ｄ変換器９０４に出力する。
【０００７】
Ａ／Ｄ変換器９０４は、前置処理回路９０３から出力される処理済みアナログ信号を受け取り、受け取ったアナログ信号をディジタル信号に変換した後、変換されたディジタル信号を撮像信号処理ユニット９０５に出力する。
【０００８】
撮像信号処理ユニット９０５は、Ａ／Ｄ変換器９０４から出力されるディジタル信号を受け取り、受け取ったディジタル信号に種々の処理を施して撮像信号を生成した後、生成された映像信号をバッファメモリ９０６に格納する。また、撮像信号処理ユニット９０５は、撮像素子９０１を駆動するための駆動情報をタイミング信号発生回路９０２に出力する。
【０００９】
バッファメモリ９０６は、映像信号処理ユニット９０５から出力された映像信号を受け取り、受け取った映像信号を一時的に記憶する。また、映像出力部９０７は、バッファメモリ９０６に一時的に記憶される撮像信号を読み出し、読み出した撮像信号から作成した映像を表示装置等（図示せず）に出力する。
【００１０】
タイミング信号発生回路９０２は、撮像信号処理ユニット９０５から出力される駆動情報を受け取り、受け取った駆動情報に基づいて、撮像素子９０１を駆動するために必要なタイミング信号を生成する。タイミング信号発生回路９０２は、生成したタイミング信号を、昇圧回路９０８に出力する。また、昇圧回路９０８は、タイミング信号発生回路９０２から出力されたタイミング信号の振幅を増幅し、増幅されたタイミング信号を撮像素子９０１に出力する。
【００１１】
図９は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の概略構成を示す図である。図９においては、図８に示される構成の一部が示されている。
【００１２】
図９に示される固体撮像装置は、複数の画素が行方向及び列方向の二次元状に配列された画素アレイ８と、列方向に整列する画素の各々に接続される複数の垂直信号線５と、行方向に整列する画素の各々に接続される複数の読み出し信号線Φｔ及び複数のリセット信号線Φｒとを備える。
【００１３】
画素アレイ８を構成する画素の各々は、光電変換素子であるフォトダイオード（以下、「ＰＤ」という）１と、ＰＤ１に蓄積される信号電荷を転送する読み出しトランジスタ２と、読み出しトランジスタ２を介してＰＤ１から読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部（以下、「ＦＤ部」という）７と、ＦＤ部７の電位をリセットするためのリセットトランジスタ３と、ＦＤ部７の電位に応じた信号を出力する検出トランジスタ４とを含む。
【００１４】
行方向に整列する各画素（例えば、Ｎ行の各画素）において、読み出しトランジスタ２の各々のゲートは、読み出し信号線Φｔ（Ｎ）に接続され、リセットトランジスタ３の各々のゲートは、リセット信号線Φｒ（Ｎ）に接続されている。また、列方向に整列する画素に含まれる検出トランジスタの各々のドレインは、垂直信号線５に接続されている。
【００１５】
更に、図９に示される固体撮像装置は、読み出し信号線及びリセット信号線の各々に接続されるマルチプレクサ回路１５と、マルチプレクサ回路１５に接続される垂直シフトレジスタ９０及び電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６と、垂直信号線５の各々に接続されるＣＤＳ回路１３と、水平シフトレジスタ９と、水平信号線１４と、出力アンプ１２とを備える。
【００１６】
垂直シフトレジスタ９０及び電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６は、図８に示されるタイミング信号発生回路９０２から昇圧回路９０８を経由して供給されるタイミング信号に基づいて、読み出しパルス及びリセットパルスを供給する。マルチプレクサ回路１５は、垂直シフトレジスタ９０の出力と、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６の出力との一方を選択することによって、読み出し信号線Φｔに読み出しパルスを供給すると共に、リセット信号線Φｒにリセットパルスを供給する。
【００１７】
垂直シフトレジスタ９０及び電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６によって実現される電子シャッタ動作によって、ＰＤ１には、所定時間だけ信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷に応じたアナログ信号は、画素行毎に垂直信号線５を介してＣＤＳ回路１３に出力される。その後、水平シフトレジスタ９は、タイミング信号発生回路９０２（図８）から出力されるタイミング信号に基づいて、垂直信号線５を順に水平走査し、ＣＤＳ回路１３に保持されている信号を、水平信号線１４及び出力アンプ１２を介して、後段の回路へと順に出力する。
【００１８】
ここで、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法の詳細について説明する。
【００１９】
図１０は、光電変換素子による電荷の蓄積時間が１Ｈ（１水平周期）未満となるように電子シャッタ動作をした場合における水平駆動期間のタイミングチャートである。尚、水平駆動期間は、水平ブランキング期間と水平有効期間とから構成される。図９においては、垂直ブランキング期間外の水平駆動期間の一部のみが示されている。
【００２０】
以下の説明においては、説明の便宜上、添字を付すことによって、垂直ブランキング期間外における水平ブランキング期間及び水平有効期間を特定する。
【００２１】
＜水平ブランキング期間（ｍ）：時刻Ｔ１〜Ｔ３＞
時刻Ｔ１において、水平ブランキング期間（ｍ）が開始し、時刻Ｔ２において、ＶＤＤ電源６のレベルがＬｏｗからＨｉｇｈに遷移するように制御される。
【００２２】
＜水平有効期間（ｍ）：時刻Ｔ３〜Ｔ８＞
次に、時刻Ｔ４において、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６の出力と、タイミング信号発生回路９０２のリセット信号とに基づいて、マルチプレクサ回路１５から、Ｎ行目のリセット信号線Φｒ（Ｎ）に供給されるリセットパルスのレベルがＬｏｗからＨｉｇｈに立ち上がるように制御される。リセットパルスのレベルがＨｉｇｈに遷移すると、Ｎ行目に整列するリセットトランジスタ３の各々がＯＮ状態となる。この結果、Ｎ行目の画素の各々に含まれるＦＤ部７の電位がリセットされる。
【００２３】
次に、時刻Ｔ５において、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６の出力と、タイミング発生信号から出力される読み出し信号とに基づいて、読み出しパルスは、ＬｏｗからＨｉｇｈに立ち上がるように制御される。読み出しパルスの立ち上がりに従って、読み出し信号線Φｒ（Ｎ）の電位がＨｉｇｈに遷移すると、Ｎ行目の画素に含まれる読み出しトランジスタ２の各々がＯＮ状態となる。したがって、Ｎ行目のＰＤ１に蓄積されていた電荷は、読み出しトランジスタ２を通じて、ＦＤ部７に転送される。
【００２４】
次に、時刻Ｔ６において、読み出しパルスは、ＨｉｇｈからＬｏｗに立ち下がるように制御される。読み出しパルスの立ち下がりに従って、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＦＦ状態となり、ＰＤ１からＦＤ部７への電荷の転送が遮断される。
【００２５】
次に、時刻Ｔ７において、リセットパルスは、ＨｉｇｈからＬｏｗに立ち下がるように制御される。リセットパルスの立ち下げによって、ＰＤ１からＦＤ部７に転送された電荷が全て排出され、ＦＤ部７のリセットが完了する。
【００２６】
＜水平ブランキング期間（ｍ＋１）：時刻Ｔ８〜Ｔ１５＞
時刻Ｔ８において、水平有効期間（ｍ）に続く水平ブランキング期間（ｍ＋１）が開始する。
【００２７】
次に、時刻Ｔ９において、Ｎ行目のリセット信号線Φ（Ｎ）に供給されるリセットパルスは、ＬｏｗからＨｉｇｈへと立ち上がるように制御される。ＶＤＤ電源６のレベルがＨｉｇｈの状態で、リセット信号線Φ（Ｎ）の電位がＨｉｇｈに遷移すると、Ｎ行目のリセットトランジスタ３の各々がＯＮ状態となる。リセットトランジスタ３がＯＮ状態に遷移すると、ＦＤ部７の電位がＶＤＤ電源６によってリセットされると共に、Ｎ行目の検出トランジスタがＯＮ状態となる。
【００２８】
次に、時刻Ｔ１０において、リセットパルスは、ＨｉｇｈからＬｏｗへと立ち下がるように制御される。
【００２９】
次に、時刻Ｔ１１において、読み出しパルスは、ＬｏｗからＨｉｇｈへと立ち上がるように制御される。読み出しパルスの立ち上がりによって、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＮ状態となるので、時刻Ｔ６以降にＰＤ１に蓄積されている信号電荷のＦＤ部７への転送が開始する。
【００３０】
次に、時刻Ｔ１２において、読み出しパルスは、ＨｉｇｈからＬｏｗへと立ち下がるように制御される。読み出しパルスの立ち下がりによって、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＦＦ状態となるので、ＰＤ１からＦＤ部７への信号電荷の転送が遮断される。
【００３１】
以上のように電子シャッタ用読み出しパルスを駆動することによって、Ｎ行目のＰＤ１による電荷の蓄積時間（期間Ｔ６〜Ｔ１２）は、１Ｈ（１水平周期）未満に制御される。Ｎ行目の検出トランジスタ４の各々は、ＦＤ部７に一時的に蓄積される信号電荷に応じたアナログ信号を、垂直信号線５を介してＣＤＳ回路１３に出力する。
【００３２】
次に、時刻Ｔ１３において、リセットパルスが立ち上がるように制御され、時刻Ｔ１４において、ＶＤＤ電源６のレベルがＬｏｗに遷移するように制御される。ＶＤＤ電源６のレベルがＬｏｗの状態で、Ｎ行目のリセットトランジスタ３がＯＮ状態になると、ＦＤ部７の電位は、Ｌｏｗレベルに遷移するので、Ｎ行目の検出トランジスタ４がＯＦＦ状態となる。その後、時刻Ｔ１５において、水平ブランキング期間（ｍ＋１）が終了する。
【００３３】
尚、ＣＤＳ回路１３に蓄積されたＮ行目の各画素から出力されたアナログ信号は、水平有効期間（ｍ＋１）、すなわち、時刻Ｔ１５〜Ｔ１６において、水平シフトレジスタ９による水平走査に従って、順に固体撮像装置から出力される。
【００３４】
従来、以上のような固体撮像装置の駆動方法によって、ＰＤ１における電荷蓄積時間が１水平周期未満となる電子シャッタ動作が実現されていた。
【００３５】
しかしながら、上記の電子シャッタ動作によって、電荷蓄積時間が１水平周期未満に制御される場合、水平有効期間（ｍ）において、リセットパルスの立ち上がり及び立ち下がりと、読み出しパルスの立ち上がり及び立ち下がりが発生する。リセットパルス及び読み出しパルスの立ち上がり・立ち下がりは、飛び込みノイズの発生に繋がり、発生した飛び込みノイズは、画質の劣化を招く。
【００３６】
飛び込みノイズに起因する画質の劣化を防止する方法として、特許文献１には、水平有効期間に水平シフトレジスタの駆動パルスを停止することによって、電子シャッタパルスによる飛込みノイズの影響を受けたアナログ信号を読み出さないように固体撮像装置を駆動することが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−１１１９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
しかしながら、特許文献１に記載される従来の固体撮像装置の駆動方法では、水平有効期間に水平シフトレジスタの駆動パルスを止めることによって、画素信号の連続性が失われるという問題が生じる。画素信号の連続性を確保するためには、画素信号をつなげる回路を別途設けることが必要であるため、回路規模の増大に繋がる。
【００３８】
また、画素信号の連続性が失われること自体によって画質が劣化するという問題や、水平シフトレジスタを停止することによって新たに生じる飛び込みノイズが画像信号に影響を与え、画質が大幅に劣化するという問題もある。
【００３９】
それ故に、本発明は、光電変換素子における電荷の蓄積時間を１水平周期未満の非常に高速な電子シャッタ動作を行うことができ、かつ、撮像信号のノイズを抑制し、常に良好な画像を得ることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
第１の発明は、複数の光電変換部と、複数のフローティングディフュージョン部と、複数の読み出しトランジスタと、複数のリセットトランジスタと、複数の検出トランジスタとを有する固体撮像装置の駆動方法に関するものである。当該固体撮像装置の駆動方法は、垂直ブランキング期間外の水平ブランキング期間において、ある行に整列するリセットトランジスタの各々に供給するリセットパルスの振幅を立ち上げるステップと、水平ブランキング期間内において、ある行に整列する読み出しトランジスタに供給する読み出しパルスの振幅を立ち上げるステップと、水平ブランキング期間に続く水平有効期間において、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップと、水平有効期間に続く水平ブランキング期間において、第リセットパルスの振幅を立ち下げるステップとを備える。
【００４１】
水平有効期間にパルスが遷移すると、電源電圧や接地電圧の揺れに起因してノイズが発生するが、上記のような駆動方法によれば、パルスが遷移する際に生じるノイズ等の影響を、水平有効期間における読み出しパルスの立ち下りによるものだけに抑制されるので、良好な画像を得ることができる。
【００４２】
また、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、読み出しパルスの立ち下げタイミングを、所望の電荷蓄積時間に応じて制御しても良い。
【００４３】
このような駆動方法によれば、読み出しパルスの立ち下げタイミングによって、光電変換部における電荷の蓄積時間が規定されるので、電子シャッタを１水平周期より短い所望の期間に容易に制御することができる。
【００４４】
また、固体撮像装置は、検出トランジスタの各々から出力される信号を受け取る水平信号線を更に含み、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップは、水平信号線に供給する水平信号線リセットパルスのレベルがハイレベルである期間に行われても良い。
【００４５】
このような駆動方法によれば、水平信号線のリセット動作によって、水平信号線の電位がある電位にクランプされるため、読み出しパルスの立ち下りに起因する飛び込みノイズが、水平信号線上の画像信号に影響することを抑制することができ、良好な画像を得ることができる。
【００４６】
また、固体撮像装置は、検出トランジスタから出力される信号を出力する水平信号線を更に含み、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、水平信号線に供給する水平信号線リセットパルスの立ち上がり、または、立ち下がりと同時に、読み出しパルスの振幅を立ち下げても良い。
【００４７】
このような駆動方法によれば、水平有効期間内に入力される読み出しパルスの立ち下りによる飛び込みノイズは、水平信号線に供給するリセットパルスの立ち上がりまたは立ち下がりによるノイズと相殺されるので、ノイズの影響を抑制することができ、良好な画像を得ることができる。
【００４８】
また、固体撮像装置は、水平シフトレジスタを更に含み、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップは、水平シフトレジスタに供給される水平シフトレジスタパルスがローレベルである期間に行われても良い。
【００４９】
このような駆動方法によれば、水平有効期間に入力される読み出しパルスの立ち下りによる飛び込みノイズは、画素信号を出力している期間（水平シフトレジスタパルスのＨｉｇｈ期間）に影響することがなく、良好な画像を得ることができる。
【００５０】
また、固体撮像装置は、水平シフトレジスタを更に含み、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、水平シフトレジスタに供給される水平シフトレジスタパルスの立ち上がり、または、立ち下がりと同時に、読み出しパルスの振幅を立ち下げても良い。
【００５１】
このような駆動方法によれば、水平有効期間に入力される読み出しパルスの立ち下りによる飛び込みノイズは、水平シフトレジスタの立ち上がりまたは立ち下がりに伴うノイズと相殺されるので、ノイズの影響を抑制することができ、良好な画像を得ることができる。
【００５２】
また、読み出しパルスの振幅を立ち下げるステップにおいて、読み出しパルスの立ち下がり遷移期間が５ｎｓ以上となるように、読み出しパルスの振幅の立ち下げを制御しても良い。
【００５３】
このような駆動方法によれば、水平有効期間に入力される読み出しパルスの立ち下り遷移期間が長くなることによって、読み出しパルスの立ち下がりに起因する飛び込みノイズが抑制され、良好な画像を得ることができる。
【００５４】
第２の発明は、固体撮像装置に関するものである。当該固体撮像装置は、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積する光電変換部と、光電変換部に蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタと、読み出された電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセットトランジスタと、フローティングディユージョン部に読み出された電荷を検出する検出トランジスタとを含む複数の単位セルが二次元状に配列された画素アレイと、同一行に整列する読み出しトランジスタの各々のゲートに接続される複数の読み出し信号線と、同一行に整列するリセットトランジスタの各々のゲートに接続される複数のリセット信号線と、読み出し信号線の各々に読み出しパルスを供給すると共に、リセット信号線の各々にリセットパルスを供給する垂直走査部とを備える。
【００５５】
そして、垂直走査部は、垂直ブランキング期間外の水平ブランキング期間において、ある行のリセット信号線に供給するリセットパルスと、ある行の読み出し信号線に供給する読み出しパルスとを立ち上げ、水平ブランキング期間に続く水平有効期間において、ある行の読み出し信号線に供給する読み出しパルスの振幅を立ち下げ、水平有効期間に続く水平ブランキング期間において、ある行のリセット信号線に供給するリセットパルスの振幅を立ち下げる。
【００５６】
このような構成によれば、水平有効期間にパルスが遷移する際に生じるノイズ等の影響を、読み出しパルスの立ち下りによるものだけに抑制されるので、良好な画像が得られる固体撮像装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、光電変換部における電荷蓄積時間が１水平周期未満の非常に高速の電子シャッタ動作を可能としつつ、入射光量が極めて多い環境下でも良好な画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の一例を示す機能ブロック図である。
【００５９】
撮像装置１００は、撮像素子１０１と、タイミング信号発生回路（ＴＧ）１０２と、前置処理回路１０３と、Ａ／Ｄ変換器１０４と、撮像信号処理ユニット１０５と、バッファメモリ１０６と、映像出力部１０７とを備える。
【００６０】
撮像素子１０１は、フォトダイオード等の光電変換素子を含む複数の画素が行列上に配列された画素アレイを備える。カメラレンズによって集光された入射光は、画素アレイに照射され、光電変換素子においてアナログ信号である電気信号に光電変換される。撮像素子１０１は、得られた電気信号を画素アレイ上に結ばれた像を示す画像情報として、前置処理回路１０３に出力する。
【００６１】
前置処理回路１０３は、アナログ信号に含まれる出力ノイズを軽減するためのＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路や、Ａ／Ｄ変換前に増幅処理を行うための非線形増幅回路等を含む。前置処理回路１０３は、撮像素子１０１から出力されたアナログ信号を受け取り、受け取ったアナログ信号に含まれるノイズ低減処理や、増幅処理等を施した後、処理済みアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１０４に出力する。
【００６２】
Ａ／Ｄ変換器１０４は、前置処理回路１０３から出力された処理済みアナログ信号を受け取り、受け取ったアナログ信号をディジタル信号に変換した後、変換されたディジタル信号を撮像信号処理ユニット１０５に出力する。
【００６３】
撮像信号処理ユニット１０５は、Ａ／Ｄ変換器１０４から出力されたディジタル信号を受け取り、受け取ったディジタル信号に種々の映像処理を施した後、処理済みの画像信号をバッファメモリ１０６に格納する。また、撮像信号処理ユニット１０５は、撮像素子１０１を駆動するためのタイミングを示すタイミング信号を生成し、タイミング信号発生回路１０２に出力する。
【００６４】
バッファメモリ１０６は、撮像信号処理ユニット１０５から出力される映像信号を受け取り、受け取った映像信号を一時的に記憶する。また、映像出力部１０７は、バッファメモリ１０６に一時的に記憶される映像信号を読み出し、読み出した映像信号を表示装置等（図示せず）に出力する。
【００６５】
タイミング信号発生回路（ＴＧ）１０２は、撮像信号処理ユニット１０５から出力された駆動情報を受け取り、受け取った駆動情報に基づいて、撮像素子１０１を駆動するために必要なタイミング信号を生成する。タイミング信号発生回路１０２は、生成したタイミング信号を撮像素子１０１に出力する。
【００６６】
尚、図１Ａに示される撮像装置は、タイミング信号発生回路１０２と撮像素子１０１との間に昇圧回路が設けられず、電源から供給される所定の電圧を撮像素子に供給する点で、図８に示される従来の撮像素子とは相違する。この相違点によって、本実施形態に係る撮像装置１００は、長時間安定した電圧を出力することができる。
【００６７】
ただし、以下に説明する固体撮像装置の駆動方法は、図１Ｂに示されるように、タイミング信号発生回路１０２と撮像素子１０１との間に昇圧回路１０８を備える撮像装置にも同様に適用することが可能である。撮像装置が昇圧回路１０８を備える場合、更に長時間安定して所定の電圧を撮像装置に供給することができる。
【００６８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の装置構成図である。尚、図２においては、図１に示される構成の一部が示されている。また、紙面の都合上、図２には、Ｎ行目及び（Ｎ＋１）行目に整列する一部の画素のみが記載され、残り記載は省略されている。
【００６９】
固体撮像装置５０は、半導体基板上に、複数の画素が二次元状に配列された画素アレイ８と、複数の垂直信号線５と、複数の読み出し信号線Φｔと、複数のリセット信号線ｒとを備える。
【００７０】
画素アレイ８を構成する画素の各々は、増幅型単位画素として構成されている。画素の各々は、光電変換素子であるフォトダイオード（以下、「ＰＤ」という）１と、ＰＤ１に蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタ（転送トランジスタ）２と、読み出しトランジスタ２を介して読み出された電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部（以下、「ＦＤ部」という）７と、ＦＤ部７の電位をリセットするためのリセットトランジスタ３と、ＦＤ部７の電位に応じた電気信号を出力する検出トランジスタ（増幅トランジスタ）４とを含んでいる。
【００７１】
また、リセットトランジスタ３及び検出トランジスタ４の各々のソースには、ＶＤＤ電源６が接続されている。同一行に整列する読み出しトランジスタ２の各々のゲートには、転送信号線Φｔが接続されている。更に、同一行に整列するリセットトランジスタ３の各々のゲートには、リセット信号線Φｒが接続されている。更に、同一列に整列する検出トランジスタ４のドレインには、垂直信号線５が接続されている。
【００７２】
更に、固体撮像装置５０は、マルチプレクサ回路１５と、垂直シフトレジスタ１０と、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６と、ＣＤＳ回路１３と、水平シフトレジスタ９と、水平信号線１４と、出力アンプ１２とを備える。尚、本実施形態において、マルチプレクサ回路１５と、垂直シフトレジスタ１０と、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６とは、読み出し信号線Φｔに読み出しパルスを供給すると共に、リセット信号線Φｒにリセットパルスを供給する垂直走査部に相当する。
【００７３】
電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６は、タイミング信号発生回路１０２から出力されるタイミング信号を受け取り、受け取ったタイミング信号と、読み出しトランジスタ２に供給するための読み出しパルスとをマルチプレクサ回路１５に出力する。この結果、転送信号線Φｔ（Ｎ）が順に選択され、各行のＰＤ１に蓄積されていた電荷がＦＤ部７に転送される。
【００７４】
垂直シフトレジスタ１０は、タイミング信号発生回路１０２から出力されるタイミング信号を受け取り、受け取ったタイミング信号と読み出しトランジスタ２に供給するための読み出しパルスとをマルチプレクサ回路１５に出力する。この結果、各行のＰＤ１に蓄積された電荷がＦＤ部７に転送され、ＦＤ部７に応じた信号が、検出トランジスタ４から垂直信号線５に出力される。垂直信号線５に出力された信号は、ＣＤＳ回路１３に一時的に蓄積される。
【００７５】
その後、水平シフトレジスタ９は、タイミング信号発生回路１０２から出力されるタイミング信号に基づいて、垂直信号線５を順に選択する。水平シフトレジスタ９による垂直信号線５の選択に従って、ＣＤＳ回路１３に一時的に蓄積されている１行分の画素毎の信号が、順に水平信号線１４を経由して、出力アンプ１２から出力される。
【００７６】
次に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置５０の駆動方法について説明する。
【００７７】
図３は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図３においては、垂直ブランキング期間外の水平駆動期間におけるパルスのタイミングが示されている。
【００７８】
尚、以下の説明においては、Ｎ行目の画素の各々から画素信号を読み出す際の駆動方法について説明するために、ある水平駆動期間と、これに続く水平駆動期間についてのみ説明する。また、以下の説明においては、説明の便宜上、添字を付すことによって、垂直ブランキング期間外における水平ブランキング期間及び水平有効期間を特定する。
【００７９】
＜水平ブランキング期間（ｍ）：時刻Ｔ１〜時刻Ｔ５＞
まず、垂直ブランキング期間外の時刻Ｔ１において、水平ブランキング期間が開始する
【００８０】
次に、時刻Ｔ２において、ＶＤＤ電源６のレベルがＬｏｗからＨｉｇｈに遷移するように制御される。
【００８１】
次に、時刻Ｔ３において、電子シャッタ用のリセットパルスがＬｏｗからＨｉｇｈへと立ち上がるように制御される。リセットパルスのレベルがＬｏｗに遷移すると、Ｎ行目のリセットトランジスタ３の各々がＯＮ状態となるので、Ｎ行目のＦＤ部７の各々の電位がＶＤＤ電源６によってリセットされる。
【００８２】
次に、時刻Ｔ４において、電子シャッタ用の読み出しパルスがＬｏｗからＨｉｇｈへと立ち上がるように制御される。読み出しパルスのレベルがＨｉｇｈに遷移すると、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＮ状態となるので、ＰＤ１に蓄積されている電荷がＦＤ部７に排出される。
【００８３】
＜水平有効期間（ｍ）：時刻Ｔ５〜Ｔ７＞
時刻Ｔ５において、水平ブランキング期間（ｍ）に続く次の水平有効期間（ｍ）が開始する。
【００８４】
次に、時刻Ｔ６において、電子シャッタ用の読み出しパルスがＨｉｇｈからＬｏｗへと立ち下がるように制御される。読み出しパルスがＬｏｗに遷移すると、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＦＦ状態となるので、ＰＤ１からＦＤ部７への電荷の転送が遮断される。
【００８５】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法においては、電子シャッタ用の読み出しパルスは、そのレベルがＨｉｇｈである期間（時刻Ｔ４〜Ｔ６）が、ある水平ブランキング期間（ｍ）と、これに続く水平有効期間（ｍ）の一部とに渡るように制御される。また、図１Ａに示される固体撮像装置は、昇圧回路を用いることなく、所定の電源電圧を利用してパルスを生成するため、パルスのＨｉｇｈ期間を安定させることが可能である。
【００８６】
＜水平ブランキング期間（ｍ＋１）＞
時刻Ｔ７において、水平有効期間（ｍ）に続く水平ブランキング期間（ｍ＋１）が開始する。
【００８７】
次に、時刻Ｔ８において、リセットパルスがＨｉｇｈからＬｏｗへと立ち下がるように制御される。ＶＤＤ電源６のレベルがＨｉｇｈの状態で、リセットパルスがＬｏｗに遷移すると、Ｎ行目のリセットトランジスタ３の各々がＯＦＦ状態となる。
【００８８】
次に、時刻Ｔ９において、読み出しパルスがＬｏｗからＨｉｇｈへと立ち上がるように制御される。読み出しパルスのレベルがＨｉｇｈに遷移すると、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＮ状態となるので、時刻Ｔ４以降にＰＤ１に蓄積されている信号電荷のＦＤ部７への転送が開始する。
【００８９】
そして、時刻Ｔ１０において、読み出しパルスがＨｉｇｈからＬｏｗへと立ち下がるように制御される。読み出しパルスのレベルがＬｏｗに遷移すると、Ｎ行目の読み出しトランジスタ２の各々がＯＦＦ状態となり、ＰＤ１からＦＤ部７への電荷の転送が停止する。
【００９０】
上記のようにリセットパルス及び読み出しパルスを供給することによって、期間Ｔ６〜Ｔ１０は１水平周期未満に制御される。すなわち、期間Ｔ６〜Ｔ１０においてＰＤ１からＦＤ部７へと転送された電荷の量は、１水平周期未満の蓄積電荷量になる。その後、ＦＤ部７に一時的に蓄積される電荷量に応じた信号が、垂直信号線５を介して、Ｎ行目の検出トランジスタ４の各々からＣＤＳ回路１３へと出力される。
【００９１】
その後、時刻Ｔ１１において、リセットパルスがＬｏｗからＨｉｇｈへと遷移するように制御される。また、時刻Ｔ１２において、ＶＤＤ電源６のレベルがＬｏｗに遷移するように制御される。ＶＤＤ電源６のレベルがＬｏｗの状態で、リセットパルスのレベルがＬｏｗに遷移すると、Ｎ行目のリセットトランジスタ３の各々がＯＮ状態となる。したがって、ＦＤ部７の電位は、Ｌｏｗレベルに遷移する。ＦＤ部７の電位がＬｏｗになると、Ｎ行目の検出トランジスタ４の各々がＯＦＦ状態（非選択状態）となる。
【００９２】
＜水平有効期間（ｍ＋１）：時刻Ｔ１３〜Ｔ１４＞
ＣＤＳ回路１３によって保持されているＮ行目の画素信号の各々は、水平有効期間（ｍ＋１）において、水平シフトレジスタ９による水平走査に従い、順次、水平信号線１４を経由して、出力アンプ１２から出力される。
【００９３】
上記のように、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法は、水平有効期間に、セットパルスの立ち上げ及び立ち下げと、読み出しパルスの立ち上げを行わず、読み出しパルスの立ち下げのみを行うという点に特徴を有する。
【００９４】
これに対して、従来の固体撮像装置の駆動方法は、水平有効期間に、電子シャッタ用の読み出しパルスの立ち上げ及び立ち下げと、リセットパルスの立ち上げ及び立ち下げとを行っていたため、両パルスの遷移に伴って飛び込みノイズが発生し、当該飛び込みノイズによって撮像信号の劣化を招いていた。
【００９５】
一方、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、水平有効期間におけるパルスの遷移を読み出しパルスの立ち下がりのみが生じるので、撮像信号に影響を及ぼす飛び込みノイズは、読み出しパルスの立ち下がりに起因するものにのみ低減される。よって、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、リセットパルス及び読み出しパルスに起因する飛び込みノイズを大幅に低減し、良好な画像信号を得ることができる。
【００９６】
更に、図１Ａに示される撮像装置においては、タイミング信号発生回路１０２より出力された信号の振幅を増幅するための昇圧回路を設けることなく、リセットパルス及び読み出しパルスを生成することが可能となる。
【００９７】
ここで、水平有効期間内の読み出しパルスの立ち下がりによって生じる飛び込みノイズの詳細と、当該飛び込みノイズを更に低減する駆動方法について説明する。
【００９８】
図４〜図７は、図３に示される時刻Ｔ６近傍（Ｐ部分）における各パルスの拡大図である。
【００９９】
図２に示されるようなＭＯＳ型固体撮像装置においては、水平有効期間における水平シフトレジスタ９の走査に従って、１画素行分のアナログ信号が順に水平信号線１４に読み出される。水平シフトレジスタ９による水平走査中に、固体撮像装置の外部から別のパルス信号が供給されると、電源電圧及び接地電圧の揺れに起因して、アナログ信号にノイズが飛び込む可能性がある。この飛び込みノイズの影響を抑制するためには、有効期間内の読み出しパルスの立ち下りタイミングを更に制御することが必要となる。
【０１００】
図４を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、水平有効期間内における読み出しパルスは、水平信号線１４のリセットを行う水平信号線リセットパルスの駆動期間（Ｈｉｇｈレベル期間）に立ち下がるように駆動される。この場合、水平信号線リセットパルスの駆動期間には、水平信号線１４の電位は、あるリセットレベルにクランプされる。したがって、読み出しパルスの立ち下りに起因する飛び込みノイズが発生しても、発生した飛び込みノイズが、水平信号線１４から出力される画像信号に影響することを抑制することが可能となる。よって、図４に示される駆動方法によれば、更に良好な画像が得られる。
【０１０１】
また、図４に示される駆動方法に代えて、読み出しパルスの立ち下がりタイミングを次のように制御しても良い。以下では、図５〜図７に示される駆動方法をそれぞれ第１〜第３の変形例という。
【０１０２】
＜第１の変形例＞
図５を参照して、第１の変形例においては、読み出しパルスは、水平シフトレジスタパルスのＬｏｗ期間に立ち下がるように制御される。第１の変形例に係る駆動方法によれば、読み出しパルスの立ち下げは、画素信号の出力期間（水平シフトレジスタパルスのＨｉｇｈ期間）に行われるため、読み出しパルスの立ち下がりに伴って飛び込みノイズ発生しても、発生した飛び込みノイズは、出力画像信号に影響しない。したがって、図５に示される駆動方法によれば、更に良好な画像が得られる。
【０１０３】
＜第２の変形例＞
図６を参照して、第２の変形例においては、読み出しパルスは、水平シフトレジスタパルスの立ち上がり及び水平信号線リセットパルスの立ち下がりに同期して立ち下がるように制御される。第２の変形例に係る駆動方法によれば、読み出しパルスの立ち下がりに伴って生じる飛び込みノイズは、水平シフトレジスタパルスの立ち上がり及び水平信号線リセットパルスの立ち下がりと相殺されるため、飛び込みノイズの影響が抑制された更に良好な画像を得ることができる。
【０１０４】
＜第３の変形例＞
図７を参照して、第３の変形例においては、読み出しパルスは、水平シフトレジスタパルスの立ち下がり及び水平信号線リセットパルスの立ち上がりに同期して立ち下がるように制御される。第３の変形例に係る駆動方法によれば、第２の変形例に係る駆動方法と同様に、読み出しパルスの立ち下がりに伴って生じる飛び込みノイズは、水平シフトレジスタパルスの立ち下がり及び水平信号線リセットパルスの立ち上がりと相殺されるため、飛び込みノイズの影響が抑制された更に良好な画像を得ることができる。
【０１０５】
更に、上記の図４〜図７に示される読み出しパルスの制御タイミングに加えて、読み出しパルスの立ち下がり遷移期間を５ｎｓ以上に設定することが好ましい。この場合、電源電圧及び設置電圧の揺れ等を抑制することができるので、読み出しパルスの立ち下がりに伴うノイズそのもののレベルを低減することが可能となる。
【０１０６】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置は、電子シャッタ用の垂直シフトレジスタを備え、電子シャッタ速度を１Ｈ（１水平周期）未満に制御することができる。更に、本実施形態に係る固体撮像装置は、水平有効期間に、リセットパルスの立ち上がり及び立ち下がりと、読み出しパルスの立ち上がりが発生しない点で、駆動上の特徴を有する。したがって、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、昼間の屋外等の撮像装置への入射光量が極めて多い環境においても、１水平周期未満の高速の電子シャッタ動作を実現し、飛び込みノイズの影響が低減された良好な画像を撮影することができる。
【０１０７】
より詳細には、水平有効期間内におけるパルスの遷移に伴って、電源電圧や接地電圧の揺れに起因してノイズが発生するが、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、パルスの遷移に伴うノイズ等の影響を、読み出しパルスの立ち下がりによるもののみに低減することができるので、良好な画像を得ることが可能となる。
【０１０８】
更に、本発明によれば、水平有効期間における読み出しパルスの立ち下がり遷移が、水平信号線リセットパルスのＨｉｇｈ期間に行われるよう制御することが可能となる。この場合、水平信号線のリセット動作により、水平信号線の電位がある電位にクランプされるので、水平有効期間内に入力される読み出しパルスの立ち下がりに起因する飛び込みノイズの影響を抑制することができ、良好な画像が得られる。
【０１０９】
また、本発明によれば、水平有効期間における読み出しパルスの立ち下がり遷移が、水平シフトレジスタパルスのＬｏｗ期間に行われるよう制御することが可能となる。この場合、読み出しパルスの立ち下りによる飛び込みノイズが、画素信号の出力期間（すなわち、水平シフトレジスタパルスのＨｉｇｈ期間）に影響することが抑制されるので、良好な画像が得られる。
【０１１０】
あるいは、本発明によれば、水平有効期間において、読み出しパルスの立ち下がりを、水平信号線のリセットパルスの立ち上がり若しくは立ち下がりと同時に、または、水平シフトレジスタパルスの立ち上がり若しくは立ち下がりと同時になるように制御することができる。このような駆動方法の特徴によって、撮像信号に飛び込みノイズが影響することを防止することが可能となる。この場合、水平有効期間内に入力される読み出しパルスの立ち下りに起因する飛び込みノイズは、水平信号線のリセットパルスの立ち上がり若しくは立ち下がりに起因するノイズと相殺される。したがって、このような読み出しパルスの制御方法によって、ノイズの影響を抑制することができ、良好な画像を得ることができる。
【０１１１】
また、水平有効期間内における読み出しパルスの立ち下がり遷移期間を長く（例えば、５ｎｓ）設定することによって、読み出しパルスの立ち下がりに起因する飛び込みノイズが抑制され、良好な画像が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法は、フォトダイオードにおける電荷蓄積時間が１水平周期未満の非常に高速の電子シャッタ動作を可能とするので、例えば、入射光量が極めて多い環境下で用いられるビデオカメラや電子スティルカメラ等に組み込まれる固体撮像装置として特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の一例を示す機能ブロック図
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の他の一例を示す機能ブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の装置構成図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図
【図４】図３に示される時刻Ｔ６近傍における各パルスの拡大図
【図５】第１の実施形態の変形例１に係る固体撮像装置の駆動方法を示す図
【図６】第１の実施形態の変形例２に係る固体撮像装置の駆動方法を示す図
【図７】第１の実施形態の変形例３に係る固体撮像装置の駆動方法を示す図
【図８】従来の撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図
【図９】従来の固体撮像装置の装置構成図
【図１０】従来の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図
【符号の説明】
【０１１４】
１  フォトダイオード（ＰＤ）
２  読み出しトランジスタ
３  リセットトランジスタ
４  検出トランジスタ
５  垂直信号線
６  ＶＤＤ電源
７  フローティングディフュージョン（ＦＤ）部
８  画素アレイ
９  水平シフトレジスタ
１０  垂直シフトレジスタ
１２  出力アンプ
１３  ＣＤＳ回路
１４  水平信号線
１５  マルチプレクサ回路
１６  電子シャッタ用垂直シフトレジスタ
５０  固体撮像装置
１０１  撮像素子
１０２  タイミング信号発生回路（ＴＧ）
１０３  前置処理回路
１０４  Ａ／Ｄ変換器
１０５  撮像信号処理ユニット
１０６  バッファメモリ
１０７  映像出力部
１０８  昇圧回路
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2007324873.tif 000004
【図２】
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【図３】
2007324873.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2007324873.tif 000009
【図７】
2007324873.tif 000010
【図８】
2007324873.tif 000011
【図９】
2007324873.tif 000012
【図１０】
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